雙邊多工位裝配線平衡的應用研究
行業科技
作者：郭勝會 吳坤
【摘要】為克服傳統算法求解效率和求解質量低的缺陷，針對裝配線每個工作站左右兩邊各有多個工位的裝配線平衡問題，提出一種基於可行作業序列的遺傳算法，既保留了傳統GA的並行和隨機搜索能力，同時又隻在可行解子空間進行搜索，這樣可提高算法運算效率和計算結果的精度。
【關鍵詞】裝配線平衡 雙邊裝配線 多工位 遺傳算法
一、引言
裝配線平衡問題（Assembly Line Balancing Problem，ALBP）源於裝配線平衡能夠提高勞動生產率、縮短生產時間、降低生產成本、提高生產穩定性、減少在製品數量等諸多優點，多年來裝配線平衡技術一直受到人們的重視，尤其在我國，由於裝配線不平衡引起的效率低下、成本浪費現象十分嚴重，裝配線平衡在企業擁有很大的發展潛力和空間。
裝配線可以分為單邊裝配線和雙邊裝配線，雙邊裝配線廣泛應用於裝載機、重型卡車、風力發電機等大中型產品的裝配過程中，與單邊裝配線相比，具有縮短裝配線長度、降低產品的生產周期、減少原材料運輸與工人移動成本、降低工具和夾具費用等優點，能產生明顯的經濟效益。隨著雙邊裝配線的廣泛應用，雙邊裝配線平衡問題（two-sided assembly lines balancing problem，TALBP）也隨之產生。因雙邊裝配線布置方式的變化，在分配任務時，除需滿足操作方位的要求，還需綜合考慮同一工作站內不同工位的前序作業對後序作業開始時間的影響。因此，TALBP較單邊裝配線平衡問題更為複雜。
近年來，運用智能優化算法求解TALBP成為一個重要趨勢。文獻提出了一種求解TALBP的遺傳算法；文獻提出了TALBP的一種基於任務序列的改進遺傳算法；文獻提出了求解TALBP的禁忌搜索算法；文獻提出了一種蜂群算法求解帶區域約束的TALBP；文獻針對第Ⅰ類TALBP，提出了一種先產生任務排列序列、後按啟發式分配規則產生可行解的蟻群算法。
以上TALBP的研究隻是針對裝配線一個工作站左右兩邊各有一個工位的情況，而實際上裝配線上的每一個工作站往往有多個工位，如在重型汽車裝配線上，一個車位（相當於工作站）一般有4～6個工位。本文提出一種基於可行作業序列的遺傳算法（Genetic Algorithm，GA），它既保留了傳統GA的並行和隨機搜索能力，同時又隻在可行解子空間進行搜索，並且所有可行作業序列都有可能被搜索到，這樣可提高算法運算效率和計算結果的精度。本文通過雙邊多工位裝配線平衡問題的實例對該算法進行了對比驗證，表明了算法的有效性。
二、改進遺傳算法
給定裝配線的生產節拍，通過作業序列來尋找最少的工作站數和工位數，適合采用GA。作業序列可直接用於GA編碼，一個作業序列就對應一條染色體。作業序列也可以直接進行交叉和變異操作。裝配線平衡問題本身是一個NP-Hard問題，采用GA可以充分發揮其並行和隨機搜索能力，能夠較快地找到較優解。
本文提出的基於可行作業序列的GA，依據作業順序圖生成初始群體和構造GA，保證GA搜索的所有作業序列及對應的單元作業分配方案都是可行的，並且保證所有可行作業序列都有可能被搜索到，進一步提高了算法運算效率和計算結果的精度。首先，生成可行作業序列作為初始群體，並將初始群體作為父群體；然後對父群體中的各個個體進行評價和選擇，並對被選中的個體進行交叉和變異操作，生成下一代群體；最後，將下一代群體作為父群體，並重複上述過程至滿足終止條件。它將輸出整個搜索過程中目標函數值最大的個體作為最優解。